ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЧЕТЫРЕХЛУЧЕВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01Q19/17 

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области антенн, и может быть использовано в системах пеленгации и сопровождения.

Известна антенна (Широкополосные двухканальные пеленгаторы источников излучения, ч. 1, РСВЧ, Экспресс-информация, N 10, 1985 г. с.9), содержащая плоскую четырехзаходную спираль с поглощающим экраном и диаграммообразующую схему. Она позволяет сформировать четыре парциальных ДН, образующих равносигнальное направление со стабильным уровнем пересечения в широком диапазоне частот. Однако парциальная ДН этой антенны имеет ширину по уровню минус 3 дБ больше 50^o, потери в поглощающем экране и диаграммообразующей схеме превышают 3 дБ. В результате эта антенна имеет достаточно низкий коэффициент усиления.

Известна антенна с отражателем (заявка Японии N 60-27204, кл. H 01Q 13/02, 19/08 от 19.03.76). Антенна содержит параболический отражатель и облучатель, состоящий из двух рупорных излучателей, расположенных вблизи фокуса отражателя. Антенна формирует две диаграммы направленности, что не позволяет обеспечить пеленгацию и сопровождение целей в двух плоскостях.

Известны антенны (Д.Н.Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. М. Высшая школа, 1988 г. с.388), содержащие отражатель и многоэлементный облучатель, каждый элемент которого выполнен в виде открытого конца полого металлического волновода круглого или шестиугольного поперечного сечения. Эти антенны формируют в пространстве пучок парциальных ДН, плотно заполняющих угловой сектор. Такая антенна может быть принята за прототип, как наиболее близкая по технической сущности к изобретению.

Недостатком прототипа является то, что большие электрические размеры таких излучателей, особенно в высокочастотной части рабочего диапазона, не позволяют достаточно сблизить центры излучения и соответственно максимумы парциальных ДН антенны, что приводит к снижению уровня пересечения парциальных ДН антенны на верхних частотах до значений менее минус 13 дБ. Кроме того, при рабочей полосе частот более 1,5 λ_н в таких излучателях начинают распространяться высшие типы волн, что может привести к сильным искажениям парциальных ДН антенны. Таким образом, прототип практически работоспособен в диапазоне частот не выше 1,3.1,5 λ_н.

Задачей изобретения является создание пеленгационной антенны с уменьшенным изменением уровня пересечения диаграмм направленности в равносигнальном направлении в широкой полосе частот.

Для решения поставленной задачи в многолучевой зеркальной антенне, содержащей отражатель в виде вырезки из параболоида вращения и многоэлементный волноводный облучатель, облучатель выполнен в виде четырехэлементной гексагональной решетки из открытых концов H-волноводов, причем два расположенных в центре облучателя H-волновода соприкасаются узкими стенками, а остальные два H-волновода соприкасаются с ними широкими стенками, и введены выступы, являющиеся продолжением гребней H-волноводов, выступающие за плоскость раскрыва H-волноводов в направлении отражателя на величину 0,3.0,45 λ_н и имеющие форму, обеспечивающую плавное увеличение зазора между ними от размера, равного расстоянию между гребнями H-волновода, до размера 0,25.0,45 λ_н, где λ_н наибольшая длина волны рабочего диапазона, при этом облучатель размещен в сферическом поглощающем экране диаметром не менее 4 λ_н так, что плоскость открытых концов H-волноводов выступает над внешней поверхностью сферического поглощающего экрана на величину не более λ_н.

В другом варианте антенны облучатель размещен коаксиально в поглощающем экране, имеющем форму усеченного конуса, так что угол между продольной осью облучателя и направлением на кромку экрана из центра раскрыва облучателя на 0.15^o больше угла между продольной осью этого облучателя и направлением на кромку отражателя из центра этого облучателя.

На фиг.1 изображена предлагаемая широкополосная четырехлучевая зеркальная антенна; на фиг.2 четырехканальный облучатель со сферическим поглощающим экраном; на фиг.3 четырехканальный облучатель с коническим поглощающим экраном; на фиг.4 схема размещения излучателей в четырехканальном облучателе; на фиг. 5 форма выступов H-волноводов; на фиг.6 - экспериментальные диаграммы направленности в азимутальной плоскости на нижней частоте; на фиг.7 экспериментальные диаграммы направленности в азимутальной плоскости на верхней частоте.

Антенна (фиг.1) содержит отражатель 1 в виде симметричной или несимметричной вырезки из параболоида вращения и четырехканальный облучатель 2, расположенный вблизи фокуса F отражателя.

Центр G четырехканального облучателя 2 располагается на расстоянии r не более λ_н от фокуса F отражателя 1 вдоль оси четырехканального облучателя 2, что обеспечивает сохранение высокого коэффициента усиления антенны при уменьшении интервала изменения уровня пересечения соседних парциальных ДН.

Облучатель 2 (фиг.2, 3) состоит из корпуса 3, волноводов 4-7, поглощающего сферического экрана 8 (фиг.2) или поглощающего конического экрана 9 (фиг.3).

Корпус 3 имеет крестообразный вырез, в который вставлены четыре волновода 4-7, выполненные в виде H-волноводов. Центры раскрывов H-волноводов 4-7 расположены в узлах гексагональной сетки, причем два расположенных в центре облучателя H-волновода соприкасаются узкими стенками, а остальные два соприкасаются с ними широкими стенками (фиг.4). Такое размещение H-волноводов обеспечивает максимально близкое размещение центров волноводов к фокусу F отражателя 1, а следовательно, максимально близкое друг к другу размещение максимумов парциальных ДН, что приводит к увеличению уровня пересечения соседних парциальных ДН. При этом в рабочем диапазоне частот должно выполняться следующее соотношение:
,
где f фокусное расстояние отражателя 1,
D диаметр отражателя 1,
Δ расстояние от фокуса F до центра каждого излучателя,
l_к короткая длина волны рабочего диапазона.

Выполнение этого соотношения, которое может быть получено известным путем (см. например, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин. Антенны УКВ. Т.1. М. Связь, 1971 г.), обеспечивает такое соотношение ширины парциальной ДН и расстояния между максимумами соседних парциальных ДН, при котором уровень пересечения получается достаточно высоким во всем рабочем диапазоне частот.

Гребни H-волноводов 4-7 продолжаются за плоскость раскрыва H-волновода в направлении отражателя 1 в виде выступов 10, при этом расстояние между внутренними поверхностями выступов 10 плавно увеличивается от ω_o, где ω_o - расстояние между гребнями в H-волноводе, до ω_к= 0,25...0,45λ_н.

Внутренняя поверхность выступов 10 может изменяться, например, по плавной кривой, лежащей между двумя кривыми, определяемыми формулой
,
где α 0^o для первой кривой, a 15^o для второй кривой, l длина выступов 10 (фиг.5а). Длина выступов 10 может изменяться от 0,3 l_н до 0,45 λ_н. Интервалы изменения расстояния между внутренними поверхностями выступов ω_к, длины выступов l, параметра α выбраны из условия обеспечения согласования излучателя с открытым пространством в широкой полосе частот. Ширина выступов 10 равна ширине гребня H-волновода.

Выступ 10 может выполняться таким образом, что внешняя поверхность выступа представляет собой плоскую поверхность, параллельную расположенным друг против друга граням гребней H-волоновода. Внешняя поверхность выступа 10 проходит через вершину выступа (точка A, фиг.5б) и расположена между вершиной выступа и плоскостью раскрыва H-волновода. Выступ 10 выполняется сплошным из металла.

Выступ 10 может быть выполнен и из двух частей (фиг.5а). При этом первая часть выполняется таким образом, что внешняя поверхность представляет собой плоскую поверхность, параллельную расположенным друг против друга граням гребней H-волновода и проходящую заподлицо с наружной стенкой H-волновода. Вторая часть выступа 10 выполняется в виде пластины так, что ее внутренняя поверхность совпадает с описанной выше формой внутренней поверхности выступа 10 и является продолжением внутренней поверхности первой части выступа. Обе части выступа 10 выполняются сплошными из металла.

Выбранное размещение H-волноводов 4-7, форма внутренней и внешней поверхностей выступа 10 совместно обеспечивают требуемые значения амплитуды и фазы коэффициентов взаимной связи между соседними излучателями. Кроме того, форма внутренней и внешней поверхностей выступа 10 обеспечивает согласование излучателей с открытым пространством в широкой полосе частот.

Поглощающий сферический экран 8 (фиг.2) выполняется в виде полой металлической сферы, внешняя поверхность которой покрыта поглощающим материалом соответствующего диапазона частот. Диаметр поглощающего сферического экрана 8, измеренный по огибающей поверхности поглощающего материала, не менее 4 l_н, что обеспечивает эффективное поглощение энергии, излучаемой облучателем в направлениях, близких к главному лепестку ДН антенны, и уменьшение токов, возбуждаемых на элементах конструкции и трактах, подходящих к облучателю и приводящих к увеличению интервала изменения уровня пересечения соседних парциальных ДН. Экран 8 имеет вырезы для установки на корпус 3. Экран 8 устанавливается на корпус 3 так, чтобы плоскость открытых концов H-волноводов выступала над внешней огибающей поверхностью покрывающего экран 8 поглощающего материала на величину не более λ_н.

Поглощающий конический экран 9 (фиг.3) выполняется в форме усеченного конуса. Внутренняя поверхность поглощающего конического экрана 9 покрыта радиопоглощающим материалом соответствующего диапазона. Поглощающий конический экран 9 состоит из дна и боковой поверхности. Боковая поверхность поглощающего конического экрана 9 выполнена в виде конической или, в частном случае, цилиндрической поверхности, усеченной с одной стороны дном поглощающего конического экрана 9, а с другой стороны таким образом, чтобы угол ψ₁(ψ₂) между продольной осью облучателя 2 и направлением на кромку экрана 9 был на 0-15^o больше угла ξ₁(ξ₂) между продольной осью облучателя 2 и направлением на кромку отражателя 1 из центра раскрыва облучателя 2 (фиг.1). Интервал изменения угла выбран таким образом, чтобы экран обеспечивал поглощение энергии, идущей от облучателя мимо отражателя, а образовавшаяся на кромке экрана кромочная волна не приводила к увеличению интервала пересечения соседних парциальных ДН. Дно поглощающего конического экрана 9 выполнено в виде круга, в центре имеет вырез, в который коаксиально входит корпус 3 облучателя 2.

Часть поверхности корпуса 3, находящаяся внутри поглощающего конического экрана 9, покрыта радиопоглощающим материалом соответствующего диапазона.

Расстояние от центра апертуры облучателя 2 до боковой поверхности поглощающего конического экрана 9 не менее 2 λ_н, а до дна конического экрана 9 не более λ_н. Эти расстояния выбраны из условия уменьшения рассеяния электромагнитной энергии на внутренней поверхности поглощающего конического экрана 9 и корпусе 3 при сохранении коэффициента усиления антенны.

Так как предлагаемая антенна не содержит невзаимных элементов, т.е. ее свойства на прием и передачу аналогичны, удобнее рассмотреть работу антенны в режиме передачи.

Для формирования каждого из четырех лучей электромагнитная энергия подается на соответствующий формируемому лучу вход волновода 4-7 облучателя 2.

Значения уровня пересечения соседних парциальных ДН определяются расстоянием между максимумами соседних парциальных ДН и шириной парциальной ДН. Ширина парциальной ДН определяется диаметром отражателя 1. Ориентация луча определяется выносом центра излучения соответствующего излучателя из фокуса. Чем меньше расстояние между максимумами соседних парциальных ДН при фиксированной ширине парциальной ДН, тем выше уровень пересечения. Так как размер H-волновода всегда меньше размера прямоугольного или круглого волновода соответствующего диапазона частот, то выполнение облучателя 2 на H-волноводах позволяет сблизить центры излучения многоканального облучателя 2 и, следовательно, получить высокий уровень пересечения ДН.

Электромагнитная энергия, пройдя H-волновод, достигает его открытого конца, где в результате скачкообразного изменения граничных условий возбуждается спектр волн.

Часть энергии отражается от раскрыва и поступает во внутреннее пространство H-волновода, распространяясь к входу волновода 4 (5,6,7). При этом, т. к. H-волновод во всей рабочей полосе частот обеспечивает распространение одного, основного типа волны, исключается возникновение резонансных явлений, обусловленных высшими типами волн.

Большая часть электромагнитной энергии далее распространяется в виде поля, сосредоточенного между выступами 10, и в виде токов, текущих по выступам 10.

Плавное увеличение расстояния между выступами 10 (расстояние между концами выступов в 2,7-4,9 раза больше расстояния между гребнями H-волноводов) приводит к улучшению согласования открытого конца H-волновода со свободным пространством. В результате с выступов 10 соответствующего H-волновода в направлении отражателя 1 излучается основная часть энергии.

Меньшая часть электромагнитной энергии возбуждает токи, текущие по внешней поверхности облучателя 2, и спектр волн в раскрывах соседних излучателей, возникающий вследствие взаимной связи между ними.

В результате потерь в поглощающем материале, покрывающем внешнюю поверхность сферического экрана 8 в первом варианте антенны или внешнюю поверхность корпуса 3 и внутреннюю поверхность конического экрана 9 во втором варианте, амплитуда токов, затекающих на внешнюю поверхность облучателя 2, существенно уменьшается. Это приводит к уменьшению дифракционных явлений на кромках облучателя 2 и, следовательно, к уменьшению неравномерности ДН облучателя 2. Таким образом, токи, текущие по внешней поверхности облучателя 2, не влияют на интервал изменения уровня пересечения парциальных ДН.

В результате дифракции на кромках поглощающего экрана 8 (или 9) образуется кромочная волна. При выбранных размерах экранов основная часть энергии кромочной волны не попадает в отражатель 1. Поэтому после отражения от поверхности отражателя 1 и суммирования полей в пространстве поле кромочной волны не приводит к увеличению интервала изменения уровня пересечения соседних парциальных ДН.

ДН формируется в результате суммирования в пространстве после отражения от отражателя 1 поля, излученного из раскрыва излучателя, на вход которого подана электромагнитная энергия, с полями, возбуждаемыми на раскрывах соседних излучателей вследствие взаимных связей.

На верхних частотах рабочего диапазона (>1,5 λ_н) относительные электрические размеры излучателей велики, их ДН относительно узкие и, следовательно, в соседние излучатели попадает небольшая часть энергии активного излучателя. Амплитуда поля активного излучателя значительно выше амплитуд полей, обусловленных взаимными связями, поэтому в формировании ДН практически участвует только активное излучение. Это приводит к тому, что в равносигнальном направлении в диапазоне частот >1,5 λ_н уровень сигнала антенны соответствует уровню отраженного сигнала одиночного излучателя. Но за счет использования H-волноводов в диапазоне частот 1,5-2,25 λ_н этот уровень выше, чем в прототипе.

На нижних частотах (<1,5 λ_н) относительные электрические размеры излучателей уменьшаются, ДН излучателя расширяется и увеличивается часть энергии, попадающая на соседние излучатели. Амплитуды полей, обусловленных взаимными связями, достаточно велики, а выбранные размеры, размещение излучателей, конфигурация выступов 10 обеспечивают фазу более 120^o на λ_н относительно фазы поля основного излучателя. В результате суммирования полей уровень сигнала в равносигнальном направлении на частотах (1-1,5) λ_н уменьшается относительно уровня отраженного сигнала одиночного излучателя. Таким образом происходит выравнивание уровня пересечения ДН в равносигнальном направлении и, следовательно, уменьшается интервал изменения уровня пересечения парциальных ДН в широкой полосе частот, т.е. решается поставленная задача.

В соответствии с принципом взаимности эти же диаграммы направленности антенна будет иметь и в режиме приема.

Проведены испытания макета предлагаемой широкополосной четырехканальной зеркальной антенны. Отражатель выполнен в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения с диаметром раскрыва 42,7 λ_н, фокусное расстояние 22,1 λ_н. Макет работает на вертикальной поляризации. Получены следующие электрические характеристики (фиг.6,7):
коэффициент стоячей волны на входе каждого излучателя не более 2,2;
уровень пересечения диаграмм направленности в азимутальной плоскости на частоте f_н минус 2,6 дБ, на частоте 1,5 f_н минус 2,7 дБ, на частоте 2,25 f_н минус 4,5 дБ;
уровень пересечения диаграмм направленности в угломестной плоскости на частоте f_н минус 2,5 дБ, на частоте 1,5 f_н минус 2,8 дБ, на частоте 2,25 f_н минус 6,5 дБ;
ширина диаграмм направленности каждого из четырех каналов в азимутальной плоскости 1,5-0,75^o, в угломестной плоскости 1,45-0,7^o в диапазоне частот с перекрытием 2,25.

Изобретение предназначено для использования в системах пеленгации и сопровождения и позволяет уменьшить изменение уровня пересечения ДН в равносигнальном направлении в широком диапазоне частот. Для этого в зеркальной антенне, содержащей отражатель в виде вырезки из параболоида вращения и многоэлементный облучатель, облучатель выполнен в виде четырехэлементной гексагональной решетки из открытых концов H-волноводов. Гребни H-волноводов продолжены за плоскость их раскрыва в виде выступов, расстояние между которыми плавно увеличивается до 0,25-0,45λ_н. Облучатель размещен в сферическом поглощающем экране диаметром не менее 4λ_н таким образом, что плоскость открытых концов H-волноводов выступает над внешней поверхностью экрана на величину не более λ_н. В другом варианте антенны облучатель размещен коаксиально в поглощающем экране, имеющем форму усеченного фокуса, так что угол между продольной осью облучателя и направлением на кромку экрана из центра раскрыва облучателя на 0-15^o больше угла между продольной осью этого облучателя и направлением на кромку отражателя из центра облучателя. 2 с. п. ф-лы, 7 ил.

1. Многолучевая зеркальная антенна, содержащая отражатель и многоэлементный волноводный облучатель, отличающаяся тем, что облучатель выполнен в виде четырехэлементной гексагональной решетки из открытых концов Н-волноводов, причем два расположенных в центре облучателя Н-волновода соприкасаются узкими стенками, а остальные два Н-волновода соприкасаются с ними широкими стенками, и имеет выступы, являющиеся продолжением гребней Н-волноводов, выступающие за плоскость раскрыва Н-волноводов на величину 0,3 - 0,45 λ_н и имеющие форму, обеспечивающую плавное увеличение зазора между ними от размера, равного расстоянию между гребнями Н-волновода, до размера 0,25 - 0,45 λ_н, при этом облучатель размещен в сферическом поглощающем экране диаметром не менее 4 λ_н так, что плоскость открытых концов Н-волноводов выступает над внешней поверхностью сферического поглощающего экрана на величину не более λ_н, где λ_н - наибольшая длина волны рабочего диапазона. 2. Многолучевая зеркальная антенна, содержащая отражатель и многоэлементный волноводный облучатель, отличающаяся тем, что облучатель выполнен в виде четырехэлементной гексагональной решетки из открытых концов Н-волноводов, причем два расположенных в центре облучателя Н-волновода соприкасаются узкими стенками, а остальные два Н-волновода соприкасаются с ними широкими стенками, и имеет выступы, являющиеся продолжением гребней Н-волноводов, выступающие за плоскость раскрыва Н-волноводов на величину 0,3 - 0,45 λ_н и имеющие форму, обеспечивающую плавное увеличение зазора между ними от размера, равного расстоянию между гребнями Н-волновода, до размера 0,25 - 0,45 λ_н, где λ_н - наибольшая длина волны рабочего диапазона, при этом облучатель размещен коаксиально в поглощающем экране, имеющем форму усеченного конуса, так, что угол между продольной осью облучателя и направлением на кромку экрана из центра раскрыва облучателя на 0 15^o больше угла между продольной осью этого облучателя и направлением на кромку отражателя из центра облучателя.